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超声相控阵全解析-01-初识相控阵

时间:2020-05-07 点击次数:159

    大家好,我是一名接触相控阵多年的理工男,大家也可以叫我“相工”,哈哈,听起来有点怪怪的。

每次跟圈外人士提及相控阵,大多数人会将它看成是一种神奇的技术,如隔山打牛。所以在外人看来杂乱无章的图像,而在我们看来却栩栩如生。而跟高探伤的圈内人士聊到相控阵技术,大多能对相控阵技术了解一二,但深究其中的细节也会产生概念的混淆。

基于之前对相控阵技术的一些愚钝的理解,为了让大家看清相控阵技术,对它既不会过分崇拜,也不会弃之如履。我希望通过我的解释,让大多数人真正地了解、理解,并使用相控阵,使其发挥更大的作用,为实现伟大的中国梦贡献自己的力量。(有点大了)

 

超声相控阵技术起源于医疗的超声检测,二十世纪七十年代初期,首次出现用于医疗诊断的商业相控阵系统。二十一世纪的初期出现了用于工业领域的便携式、电池供电的相控阵仪器。

 

医疗与工业检测虽然都使用超声相控阵技术,但为什么我每次去医院检查B超依然对医疗的B超图像一头雾水,感觉我学到了假的相控阵,真是隔行如隔山呀。

 

 

言归正传,什么是超声相控阵技术?“超声相控阵”这个名字其实已经高度概括了这门技术的关键点,即:

1)使用“超声”技术,即基本原理都是绕不开超声的基本原理,特别是脉冲反射法检测是超声相控阵常用的检测方法。所以如果对于一个工件,无论使用何种常规超声检测技术,从原理上讲都无法检测的时候,那相控阵也极可能无能为力,所以相控阵技术不是“神”,它也有脆弱的一面;

2)“相控”,即需要通过对每个晶片的激发时间和激发次序的变化,来控制最终合成声束的方向和聚焦等特性。请注意,可以控制每个晶片的激发时间和激发次序是相控阵的核心价值;

3)“阵”,即阵列,多晶片排列是超声相控阵的另一大特点,即通过多晶片的排列组合来得到更大的覆盖面积和更多可能的变化。

超声相控阵探头包含16到128个数量不等的小型单个晶片,有密集恐惧症的小盆友就不要打开相控阵探头或者导线了,容易症状发作。

 

这么多晶片是如何协同工作的呢?这里涉及到了波前(wave front)的概念。

 

那么问题又来了,什么是“波前”?波前即声波传播的前沿,当通过仪器控制如上图的16个晶片(黄色为晶片),左边第1晶片先激发,之后的晶片依次延迟几个纳秒(ns)激发(绿色为延迟规则),这样当右边晶片开始激发的时候,第1晶片出来的声波已经跑老远了。

 

这不公平呀,说好了大家同进退、共患难,为啥你们先跑了,留下我第16号晶片最后出来,而第1号晶片也在抱怨,为啥我跑的路多。

 

但正是这种大家齐心协力按照上面的延迟法则前进,才会最终手拉手形成一个斜角度的声束。

 

如果大家按照圆弧型的延迟法则前进,则最终会发现大家会在某一个深度上集合到一点,这就形成了聚焦的声束。

 

总结下来,超声相控阵技术就是通过相控阵仪器控制多晶片的超声相控阵探头中晶片的激发时间和激发次序的变化,以实现声束的偏转和聚焦等相控阵特有的性能。

 

此处需要注意的是不同晶片间的激发时间的延迟是纳秒(ns)量级的,这个概念在后面会被提及和比较。

待续

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文章转自工业检测大时代

 

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